气门传动组的作用，结构及凸轮轴的重要性

气门传动组的作用是使气门按发动机配气相位规定的时刻开、闭,并保证有足够的开启高度。气门传动组主要包括正时齿轮、凸轮轴、挺柱、摇臂以及推杆等零件。由于凸轮轴位置的不同以及气门驱动形式的变化,气门传动组的结构也不尽相同。

1.凸轮轴

(1)凸轮轴的工作条件及材料。凸轮轴是气门传动组中最重要的零件,它的主要作用是驱动和控制气门的打开和关闭,从而使它能符合发动机的工作顺序、配气相位及气门开度的变化规律的要求。此外,凸轮轴轴颈和凸轮工作表面除应该具有较高的尺寸精度、较小的表面粗糙度值和足够的刚度,同时还应具有较高的耐磨性和良好的润滑性。

凸轮轴通常由优质碳钢或合金钢锻造,也可用合金铸铁或球墨铸铁铸造。轴颈和凸轮工作表面经热处理后磨光。

(2)凸轮轴构造。凸轮轴主要由凸轮1、凸轮轴轴颈2两部分组成,如图4-14所示。下置凸轮轴的汽油机还有用以驱动汽油泵的偏心轮3、驱动分电器的螺旋锥齿轮4等。

图4-14　四缸四冲程汽油机凸轮轴

(a)发动机凸轮轴;(b)各凸轮相对角位置图;(c)同名凸轮相对角位置投影图
1—凸轮;2—凸轮轴轴颈;3—驱动汽油泵的偏心轮;4—驱动分电器的锥齿轮

由图4-14可以看出,凸轮轴设置了四个轴轴颈,使得凸轮轴具有了足够的支撑刚度,从而保证了配气相位。为了便于安装,下置式凸轮轴轴颈的直径由风扇端向飞轮端顺序依次减小,而上置式凸轮轴的轴承采用的是剖分结构,各凸轮轴轴颈的直径相等。

图4-14所示的四缸四冲程发动机,每完成一个工作循环,曲轴须旋转两周而凸轮轴只旋转一周,在这期间,每个气缸都有一次进气或排气,且各缸进气或排气的间隔时间相等,即凸轮轴上各缸同名凸轮(各进气凸轮或各排气凸轮)间的夹角均为360°/4=90°。如图4-14(c)所示,如果从发动机风扇端看凸轮轴逆时针方向旋转,则发动机的点火顺序为1-2-4-3。对六缸四冲程发动机而言,其点火顺序为1-5-3-6-2-4,则凸轮轴上各缸同名凸轮间的夹角(亦即作功间隔角)均为360°/6=60°,如图4-15所示。配气相位及凸轮轴旋向决定了同气缸进、排气凸轮的相对角位置。发动机各气缸进气或排气凸轮的相对角位置应符合发动机各缸的点火顺序和点火间隔时间的要求。因此,根据凸轮轴的旋转方向及各缸进气或排气凸轮的工作次序,就可以判定发动机的点火顺序。

图4-15　六缸四冲程发动机同名凸轮相对角位置投影图

图4-16　凸轮轮廓

进、排气门开闭的时刻、持续时间以及开闭的速度和升程变化规律。取决于控制气门的凸轮外部轮廓曲线,凸轮轮廓形状如图4-16所示。图中O点为凸轮轴的轴心(即凸轮的旋转中心),EA为凸轮的基圆。当凸轮按图示方向转过EA弧段时,挺柱不动,气门关闭;凸轮转过A点后,挺柱开始上移,从B点开始,消除气门间隙,气门开始开启;凸轮转到C点时,气门开度(升程)达到最大;至D点时,气门完全关闭。此后,挺柱继续下落,恢复气门间隙,至E点挺柱又处于最低位置。φ对应着气门开启持续角,ρ1和ρ2则分别对应着消除和恢复气门间隙所需的转角。凸轮轮廓BCD弧段为凸轮的工作段,其形状决定了气门的升程及其升降过程的运动规律。转速较低的发动机,其凸轮轮廓由几段圆弧组成,这种凸轮称为圆弧凸轮。高转速发动机则采用函数凸轮,其轮廓由某种函数曲线构成。

(3)凸轮轴的轴向定位。为了限制凸轮轴在工作中的轴向窜动或承受正时锥齿轮在工作中产生的轴向力,凸轮轴必须有轴向定位装置;否则,凸轮轴轴向移动量较大会影响配气相位。

上置式凸轮轴通常利用凸轮轴承盖1的两个端面和凸轮轴2轴颈两侧的凸肩进行轴向定位[图4-17(a)]。其间的间隙Δ=0.1～0.2mm,就是凸轮轴的最大许用轴向移动量。

中、下置式凸轮轴的轴向定位通常采用止推板[图4-17(b)]。在第一凸轮轴前轴颈和凸轮轴正时齿轮之间压装一个调节隔圈4,在调整环外再送套一个止推板3。止推板用螺栓固定在气缸体体前端面上。调节隔圈、凸轮轴正时齿轮毂与第一凸轮轴颈端面紧紧靠在一起。由于调节隔圈比止推板厚0.08～0.2mm,因此在止推板与凸轮轴正时齿轮毂或止推板与凸轮轴轴颈端面之间形成0.08～0.2mm的间隙,此间隙即为凸轮轴最大轴向移动量。通过改变调整环的厚度即可改变凸轮轴轴向移动量。

第三种轴向定位的方法是止推螺钉定位[图4-17(c)]。在正时传动室盖7上与凸轮轴前端相对应的位置拧入止推螺钉9,使其端部与正时齿轮紧固螺栓8的六角头端面相距Δ=0.1～0.2mm时,锁紧止推螺钉,即可实现凸轮轴的轴向定位。

图4-17　凸轮轴轴向定位方式

(a)推力轴承;(b)止推板;(c)止推螺钉
1—凸轮轴承盖;2—凸轮轴;3—止推板;4—调节隔圈;5—螺母;6—凸轮轴正时齿轮;7—正时传动室盖;8—螺栓;9—止推螺钉

(4)凸轮轴传动机构。传动机构有齿轮式、链条式和同步带式三种。齿轮传动机构用于下置式和中置式凸轮轴的传动。汽油机一般只用一对正时齿轮,即曲轴正时齿轮4和凸轮轴正时齿轮2。在柴油机上,凸轮轴与曲轴中心距较大,同时需要驱动喷油泵,需加入中间齿轮3、5传动(图4-18)。为了保证齿轮啮合平顺,噪声低,磨损小,正时齿轮都是圆柱锥齿轮并用不同的材料制成。曲轴正时齿轮采用中碳钢,凸轮轴正时齿轮则采用铸铁或夹布胶木制造。在装配曲轴和凸轮轴时,必须把齿轮正时标记对准,以确保正确的配气相位和点火时刻。

中置式和上置式凸轮轴配气机构一般用链条传动机构,如图4-19所示。尤其是上置式凸轮轴的高速汽油机采用链传动机构的很多。链条一般为滚子链,工作时应保持一定的张紧度,使其不产生振动和噪声。为此在链传动机构中装有导链板5并在链条的松边装置张紧器1,利用张紧器可以调整链条的张力。

在高速发动机上广泛采用氯丁橡胶齿形皮带代替链条传动,如图4-20所示。减小了噪声,且质量轻、啮合量大、成本低、工作可靠和不需要润滑等。另外,同步带伸长量小,适合有精确正时要求的传动。因此,被越来越多的汽车发动机特别是轿车发动机所采用。为了确保传动可靠,同步带需保持一定的张紧力,为此在同步带传动机构中也设置由张紧轮与张紧弹簧组成的张紧器。

2.挺柱

(1)挺柱的功用、类型及材料。挺柱又叫挺杆,它是介于凸轮和推杆之间的传动件。它的功用是将来自凸轮的运动和作用力传给推杆或气门,同时还承受凸轮所施加的侧向力,并将其传给机体或气缸盖。

挺柱分为机械挺柱和液力挺柱两大类,机械挺柱又分为平面挺柱和滚子挺柱等多种结构形式。通常由碳钢、合金钢、镍铬合金铸铁和冷激合金铸铁等材料制成。

图4-18　齿轮传动机构

1—喷油泵正时齿轮;2—凸轮轴正时齿轮;3、5—中间齿轮;4—曲轴正时齿轮;6—机油泵传动齿轮;A、B、C—正时记号

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图4-19　链传动机构

1—液压张紧器;2—张紧轮子;3—凸轮轴正时链轮;4—链条;5—导链板;6—中间链轮;7—曲轴正时链轮;A、B—正时记号

图4-20　同步带传动机构DOHC同步带传动机构(马自达FE)

1—曲轴正时同步带轮;2—正时记号;3—水泵传动同步带轮;4—中间轮;5—张紧轮;6—同步带;7—凸轮轴正时同步带轮;8—进气凸轮轴正时记号;9—排气凸轮轴正时记号

顶置式配气机构常用的梃柱有筒式平面挺柱、滚轮式挺柱、菌形平面挺柱。机械挺柱的结构形式如图4-21所示。其中筒式平面挺柱[图4-21(a)]由于杆身为中空状其质量可以减轻,广泛应用在中、小型发动机上。

挺柱工作时,由于受方向一定的侧向推力的作用,将引起挺柱与导管之间的单面磨损,同时挺柱与凸轮的接触相对不变,也会造成不均匀的磨损。为此,挺柱底部制成球面,而且把凸轮面制成锥度形状;有的在挺柱安装时,使挺柱轴线偏离凸轮的对称轴线[图4-21(c)],偏心距e=1～3mm。这样凸轮与挺柱底面的接触点偏离挺柱轴线,当挺柱被凸轮顶起上升时,接触点的摩擦力使其绕自身轴线转动,以达到均匀磨损的目的。

滚轮式挺柱可以减少摩擦和磨损,但其结构复杂,见图4-21(b),质量也比较大,多用于缸径较大的发动机上。

(2)液力挺柱。在采用液力挺柱的配气结构中,装配、使用和维修时不需要在气门和传动机构中留气门间隙或调整气门间隙简化了保养程序,同时消除了由于气门间隙引起的噪声和冲击,还可以减少凸轮型面和挺柱的顶面的磨损。

如图4-22所示在挺柱体中装有柱塞,柱塞上端压有球座作为推杆的支承座,同时将柱塞内腔封闭。柱塞被弹簧压向上方,其最上位置由卡环限制。柱塞下端的阀架内装有碟形弹簧,用以关闭单向阀。

图4-21　机械挺柱

(a)筒式平面挺柱;(b)滚轮式挺柱;(c)菌形平面挺柱
1—挺柱;2—凸轮轴

图4-22　液力挺柱

1—挺杆体;2—阀架;3—柱塞;4—卡环;5—支承座;6—单向阀碟形弹簧;7—单向阀;8—柱塞弹簧

发动机工作时,机油沿主油道经气门挺杆进油孔流入,充满柱塞内腔并推开单向阀充入其下面的空腔。当气门关闭时,弹簧使柱塞连同压在柱塞上的球座紧靠着推杆,使配气机构的间隙消失。

当凸轮转到工作面使挺杆上推时,推杆作用于支承座和柱塞上的反力力图使柱塞克服柱塞弹簧的弹力相对于挺杆体向下移动,于是柱塞下部空腔内的油压迅速升高,使单向阀关闭。由于液体的不可压缩性,整个挺杆便像一个刚体一样,按凸轮的运动规律,使气门开启、关闭。

当油压过高或者气门受热膨胀时,将有少许机油经柱塞与挺杆体的间隙处渗漏,使挺杆高度减少,保证了气门受热膨胀时仍能与气门座保持密封。当气门开始关闭或冷却收缩时,由于柱塞弹簧的作用,柱塞向上运动,始终保持与推杆的接触,同时柱塞下部空腔产生真空度,于是,主油道的机油将再次推开阀门,充满整个挺杆内腔。

3.推杆

推杆的功用是将挺柱传来的运动和作用力传给摇臂,它是配气机构中很容易弯曲的部件,通常用锻铝或硬铝制造,推杆可以是实心、空心的两种。用中碳钢制成球头或球座与杆身锻成一体的实心推杆见图4-23(a)。空心推杆见图4-23(b)、(c),前者在杆身两端焊上球头和球座,后者在杆身两端压入钢制球头和球座。

4.摇臂

摇臂的功用是将推杆或凸轮传来的运动和作用力,改变方向传给气门尾部使气门开启。

摇臂1是一个不等长双臂杠杆[图4-24],短臂端加工有螺纹孔,用来拧入气门间隙调整螺钉2,以调整气门间隙。长臂端加工成圆弧面,为推动气门的工作面。由于摇臂工作面与气门杆尾端面的接触应力很大,因此磨损严重,通常圆弧工作面堆焊耐磨合金或在淬火后磨光。摇臂衬套与摇臂轴、摇臂工作面与气门杆尾端面以及气门间隙调整螺钉的球头或球座与推杆的球座或球头均需要润滑。为此将机油从机体经气缸盖和摇臂轴座中的油道引入摇臂轴,再从摇臂轴、摇臂衬套和摇臂上的油孔流向摇臂两端。摇臂在其轴上的位置由限位弹簧或挡圈限定。

图4-23　推杆

(a)实心推杆;(b)、(c)空心推杆
1—球座;2—球头

图4-24　摇臂

1—摇臂;2—气门间隙调整螺钉;3—锁紧螺母;4—摇臂衬套

摆臂的功用与摇臂相同。但摆臂是单臂杠杆,其支点在摆臂的一端。为了减轻摩擦和磨损,可将凸轮与摆臂的接触方式由滑动改为滚动。